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JWT入门简介

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什么是JWT

根据维基百科的定义,JSON WEB Token(JWT,读作 [/dʒɒt/]),是一种基于JSON的、用于在网络上声明某种主张的令牌(token)。JWT通常由三部分组成: 头信息(header), 消息体(payload)和签名(signature)。

头信息指定了该JWT使用的签名算法:

header = '{"alg":"HS256","typ":"JWT"}'

HS256 表示使用了 HMAC-SHA256 来生成签名。

消息体包含了JWT的意图:

payload = '{"loggedInAs":"admin","iat":1422779638}'//iat表示令牌生成的时间

未签名的令牌由base64url编码的头信息和消息体拼接而成(使用”.”分隔),签名则通过私有的key计算而成:

key = 'secretkey'  
unsignedToken = encodeBase64(header) + '.' + encodeBase64(payload)  
signature = HMAC-SHA256(key, unsignedToken) 

最后在未签名的令牌尾部拼接上base64url编码的签名(同样使用”.”分隔)就是JWT了:

token = encodeBase64(header) + '.' + encodeBase64(payload) + '.' + encodeBase64(signature) 

# token看起来像这样: eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJsb2dnZWRJbkFzIjoiYWRtaW4iLCJpYXQiOjE0MjI3Nzk2Mzh9.gzSraSYS8EXBxLN_oWnFSRgCzcmJmMjLiuyu5CSpyHI

JWT常常被用作保护服务端的资源(resource),客户端通常将JWT通过HTTP的Authorization header发送给服务端,服务端使用自己保存的key计算、验证签名以判断该JWT是否可信:

Authorization: Bearer eyJhbGci*......*yu5CSpyHI

那怎么就误用了呢

近年来RESTful API开始风靡,使用HTTP header来传递认证令牌似乎变得理所应当,而单页应用(SPA)、前后端分离架构似乎正在促成越来越多的WEB应用放弃历史悠久的cookie-session认证机制,转而使用JWT来管理用户session。支持该方案的人认为:

1.该方案更易于水平扩展

在cookie-session方案中,cookie内仅包含一个session标识符,而诸如用户信息、授权列表等都保存在服务端的session中。如果把session中的认证信息都保存在JWT中,在服务端就没有session存在的必要了。当服务端水平扩展的时候,就不用处理session复制(session replication)/ session黏连(sticky session)或是引入外部session存储了。

从这个角度来说,这个优点确实存在,但实际上外部session存储方案已经非常成熟了(比如Redis),在一些Framework的帮助下(比如spring-sessionhazelcast),session复制也并没有想象中的麻烦。所以除非你的应用访问量非常非常非常(此处省略N个非常)大,使用cookie-session配合外部session存储完全够用了。

2.该方案可防护CSRF攻击

跨站请求伪造Cross-site request forgery(简称CSRF, 读作 [sea-surf])是一种典型的利用cookie-session漏洞的攻击,这里借用spring-security的一个例子来解释CSRF:

假设你经常使用bank.example.com进行网上转账,在你提交转账请求时bank.example.com的前端代码会提交一个HTTP请求:

POST /transfer HTTP/1.1
Host: bank.example.com
cookie: JsessionID=randomid; Domain=bank.example.com; Secure; HttpOnly
Content-Type: application/x-www-form-urlencoded

amount=100.00&routingNumber=1234&account=9876

你图方便没有登出bank.example.com,随后又访问了一个恶意网站,该网站的HTML页面包含了这样一个表单:

<form action="https://bank.example.com/transfer" method="post">
    <input type="hidden" name="amount" value="100.00"/>
    <input type="hidden" name="routingNumber" value="evilsRoutingNumber"/>
    <input type="hidden" name="account" value="evilsAccountNumber"/>
    <input type="submit" value="点击就送!"/>
</form>

你被“点击就送”吸引了,当你点了提交按钮时你已经向攻击者的账号转了100元。现实中的攻击可能更隐蔽,恶意网站的页面可能使用Javascript自动完成提交。尽管恶意网站没有办法盗取你的session cookie(从而假冒你的身份),但恶意网站向bank.example.com发起请求时,你的cookie会被自动发送过去。

因此,有些人认为前端代码将JWT通过HTTP header发送给服务端(而不是通过cookie自动发送)可以有效防护CSRF。在这种方案中,服务端代码在完成认证后,会在HTTP response的header中返回JWT,前端代码将该JWT存放到Local Storage里待用,或是服务端直接在cookie中保存HttpOnly=false的JWT。

在向服务端发起请求时,用Javascript取出JWT(否则前端Javascript代码无权从cookie中获取数据),再通过header发送回服务端通过认证。由于恶意网站的代码无法获取bank.example.com的cookie/Local Storage中的JWT,这种方式确实能防护CSRF,但将JWT保存在cookie/Local Storage中可能会给另一种攻击可乘之机,我们一会详细讨论它:跨站脚本攻击——XSS。

3.该方案更安全

由于JWT要求有一个秘钥,还有一个算法,生成的令牌看上去不可读,不少人误认为该令牌是被加密的。但实际上秘钥和算法是用来生成签名的,令牌本身不可读仅是因为base64url编码,可以直接解码,所以如果JWT中如果保存了敏感的信息,相对cookie-session将数据放在服务端来说,更不安全。

除了以上这些误解外,使用JWT管理session还有如下缺点:

更多的空间占用。如果将原存在服务端session中的各类信息都放在JWT中保存在客户端,可能造成JWT占用的空间变大,需要考虑cookie的空间限制等因素,如果放在Local Storage,则可能受到XSS攻击。

更不安全。这里是特指将JWT保存在Local Storage中,然后使用Javascript取出后作为HTTP header发送给服务端的方案。在Local Storage中保存敏感信息并不安全,容易受到跨站脚本攻击,跨站脚本(Cross site script,简称xss)是一种“HTML注入”,由于攻击的脚本多数时候是跨域的,所以称之为“跨域脚本”,这些脚本代码可以盗取cookie或是Local Storage中的数据。可以从这篇文章查看XSS攻击的原理解释。

无法作废已颁布的令牌。所有的认证信息都在JWT中,由于在服务端没有状态,即使你知道了某个JWT被盗取了,你也没有办法将其作废。在JWT过期之前(你绝对应该设置过期时间),你无能为力。

不易应对数据过期。与上一条类似,JWT有点类似缓存,由于无法作废已颁布的令牌,在其过期前,你只能忍受“过期”的数据。

看到这里后,你可能发现,将JWT保存在Local Storage中,并使用JWT来管理session并不是一个好主意,那有没有可能“正确”地使用JWT来管理session呢?比如:

  1. 不再使用Local Storage存储JWT,使用cookie,并且设置HttpOnly=true,这意味着只能由服务端保存以及通过自动回传的cookie取得JWT,以便防御XSS攻击
  2. 在JWT的内容中加入一个随机值作为CSRF令牌,由服务端将该CSRF令牌也保存在cookie中,但设置HttpOnly=false,这样前端Javascript代码就可以取得该CSRF令牌,并在请求API时作为HTTP header传回。服务端在认证时,从JWT中取出CSRF令牌与header中获得CSRF令牌比较,从而实现对CSRF攻击的防护
  3. 考虑到cookie的空间限制(大约4k左右),在JWT中尽可能只放“够用”的认证信息,其他信息放在数据库,需要时再获取,同时也解决之前提到的数据过期问题

这个方案看上去是挺不错的,恭喜你,你重新发明了cookie-session,可能实现还不一定有现有的好。

那究竟JWT可以用来做什么

我的同事做过一个形象的解释:

JWT(其实还有SAML)最适合的应用场景就是“开票”,或者“签字”。

在有纸化办公时代,多部门、多组织之间的协同工作往往会需要拿着A部门领导的“签字”或者“盖章”去B部门“使用”或者“访问”对应的资源,其实这种“领导签字/盖章”就是JWT,都是一种由具有一定权力的实体“签发”并“授权”的“票据”。一般的,这种票据具有可验证性(领导签名/盖章可以被验证,且难于模仿),不可篡改性(涂改过的文件不被接受,除非在涂改处再次签字确认);并且这种票据一般都是“一次性”使用的,在访问到对应的资源后,该票据一般会被资源持有方收回留底,用于后续的审计、追溯等用途。

举两个例子:

员工李雷需要请假一天,于是填写请假申请单,李雷在获得其主管部门领导签字后,将请假单交给HR部门韩梅梅,韩梅梅确认领导签字无误后,将请假单收回,并在公司考勤表中做相应记录。

员工李雷和韩梅梅因工外出需要使用公司汽车一天,于是填写用车申请单,签字后李雷将申请单交给车队司机老王,乘坐老王驾驶的车辆外出办事,同时老王将用车申请单收回并存档。

在以上的两个例子中,“请假申请单”和“用车申请单”就是JWT中的payload,领导签字就是base64后的数字签名,领导是issuer,“HR部门的韩梅梅”和“司机老王”即为JWT的audience,audience需要验证领导签名是否合法,验证合法后根据payload中请求的资源给予相应的权限,同时将JWT收回。

放到系统集成的场景中,JWT更适合一次性操作的认证:

服务B你好, 服务A告诉我,我可以操作, 这是我的凭证(即JWT)

在这里,服务A负责认证用户身份(相当于上例中领导批准请假),并颁布一个很短过期时间的JWT给浏览器(相当于上例中的请假单),浏览器(相当于上例中的请假员工)在向服务B的请求中带上该JWT,则服务B(相当于上例中的HR员工)可以通过验证该JWT来判断用户是否有权执行该操作。这样,服务B就成为一个安全的无状态的服务了。

总结

在Web应用中,别再把JWT当做session使用,绝大多数情况下,传统的cookie-session机制工作得更好
JWT适合一次性的命令认证,颁发一个有效期极短的JWT,即使暴露了危险也很小,由于每次操作都会生成新的JWT,因此也没必要保存JWT,真正实现无状态。

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